NASA измери спорадичния E-слой от пет точки наведнъж

NASA публикува на 2 септември резултатите от мисията SpEED Demon — първата, която е измерила спорадичен E-слой едновременно от пет точки. Сондиращата ракета е излетяла от базата Wallops във Вирджиния в 21:16 източно време на 23 август 2022 г. и вътре в слоя е изхвърлила четири малки сонди, които са се разлетели встрани от основния товар. Анализът излиза в Journal of Geophysical Research: Space Physics, а NASA го обяви в свое съобщение тази седмица.

Снимка: NASA Wallops

Какво представлява спорадичният E-слой

На около 100 км височина в йоносферата от време на време се образуват тънки — от един до няколко километра — слоеве йонизирани метални атоми. Металите идват от метеорите, които изгарят в атмосферата и оставят след себе си следи от желязо, магнезий и други елементи. Ветровете и електрическите полета понякога ги сбиват в плътни пластове.

Тези пластове са невидими, появяват се и изчезват без предупреждение и отразяват радиовълните като огромно огледало. Резултатът е познат на всеки радиолюбител: далечен предавател започва да звучи така, сякаш е зад ъгъла. За радарите обаче ефектът е проблем — появяват се фалшиви цели, а точността на GPS пада.

Проблемът с изучаването им е чисто логистичен. Слоят стои твърде високо за метеорологични балони и твърде ниско за сателити — под 125 км орбита не се задържа. Остават сондиращите ракети, които минават през него за секунди.

Пет разреза вместо един

Досега всяка такава ракета е давала една вертикална линия през слоя. SpEED Demon (съкращение от Sporadic-E ElectroDynamics Demonstration) е първата, изхвърлила така наречените dropsonde — отделяеми сонди с инструменти на борда.

Четирите сонди са се разделили една от друга и от основния товар, всяка е измервала плазмата по собствената си траектория и е предавала данните към наземни станции. Заедно това прави пет едновременни вертикални разреза през един и същ облак — достатъчно, за да се различи къде слоят е плътен и къде е разкъсан.

„Досега гледахме през една цепнатина. С множество сензори превърнахме цепнатината в ограда от колове“ — обяснява Aroh Barjatya, ръководител на мисията и директор на лабораторията Space and Atmospheric Instrumentation Lab в университета Embry-Riddle в Дейтона Бийч, Флорида.

Носителят е бил Terrier-Improved Malemute — двустепенна ракета с височина около 12 метра. Апогеят ѝ е бил около 160 км, след което товарът е паднал в Атлантическия океан. Слоят е бил уловен при спускането.

Не палачинка, а руло

Очакването е било слоят да прилича на равномерен плътен пласт. Данните показват друго: плазмата е неравна и вътрешно структурирана, оформена от турбулентни движения на неутралния въздух. Екипът описва формата не като плоска палачинка, а по-скоро като канелено руло.

При спускането измереният слой дори се е разделил на два отделни пика. Структурата съвпада с това, което би породила неустойчивостта на Келвин–Хелмхолц — къдрещите се вихри, които се образуват на границата между два въздушни потока с различна скорост и изглеждат като разбиващи се вълни.

„Не става дума за проста рязка граница на плътността, а за плазма, върху която турбулентният вятър е оставил отпечатък“ — обобщава Henry Valentine, водещият автор на анализа.

Изводът е сдържан, но има практическо значение. Ако слоят е нехомогенен в мащаб от километри, моделите, които го третират като гладко огледало, ще грешат в предвиждането кога и накъде ще отскочи даден сигнал. Един-единствен полет обаче не доказва, че всички спорадични E-слоеве изглеждат така — за това трябват още измервания.

Какво следва

SpEED Demon беше замислена и като проверка на инструментите преди по-големи мисии. Оттогава същият екип е летял с ракети по време на пръстеновидното слънчево затъмнение през октомври 2023 г. и пълното през април 2024 г.

Продължението е мисията SEED, чиято първа ракета излетя на 20 юни 2025 г. от атола Кваджалейн на Маршаловите острови. Целта там е различна: спорадичните E-слоеве в средни ширини учените горе-долу обясняват, но защо се образуват близо до екватора остава отворен въпрос.

Атмосферните измервания от този тип попадат в същата ниша като новите модели за атмосферна прогноза — данните са ценни точно защото описват процес, който досега сме моделирали основно по косвени признаци. Разликата е, че тук сондата минава физически през явлението, вместо да го наблюдава отвън, както правят сателитите за наблюдение на Земята.

Заключение

Резултатът не променя нищо в радиовръзките утре. Той обаче попълва празнина в разбирането на един слой, който от десетилетия обърква къси вълни, радари и навигация, а е бил изучаван почти изцяло през една-единствена линия данни на полет. Пет точки вместо една е скромна на пръв поглед стъпка — но именно тя показа, че досегашната картина на спорадичния E-слой е била прекалено подредена.